EQCM揭示鋅電釩氧化物正極失效機制及質子儲能機制

用戶成果｜上海交通大學楊曉偉/同濟大學趙曉莉/江西科技師范大學劉聰聰ACS Energy Letters: EQCM揭示鋅離子電池釩氧化物正極失效機制及質子儲能機制

背景知識

水系鋅離子電池（ZIBs）因高安全性、低成本等優勢成為儲能領域的研究熱點，但釩基正極材料存在嚴重的容量衰減問題。傳統觀點認為Zn2?嵌入引發的結構坍塌或副反應是主因，然而近年研究發現，H?可能主導電荷存儲過程，但其與容量衰減的關聯機制尚不明確。近日上海交通大學楊曉偉/同濟大學趙曉莉/江西科技師范大學劉聰聰團隊以“Probing Capacity Decay in Vanadium Oxide Cathodes of Aqueous Zinc-Ion Batteries Using Operando EQCM-D”為題在《ACS Energy Letters》上發表相關研究進展。

研究方法

研究團隊通過QSense耗散型電化學石英晶體微天平（EQCM-D）實時追蹤釩氧化物（V?O?）電極在充放電過程中的質量變化與離子擴散行為，結合納米化改性策略（V?O?@PEDOT，VOP）抑制材料溶解。
EQCM-D核心作用：

1. 實時質量監測：精準量化H?嵌入/脫出引起的電極質量波動，揭示V?O?溶解與OH?積累的直接關聯（圖1d-e）。

2. 電荷載體鑒別：通過理論質量變化與實際數據的對比，證實H?是主導電荷載體（圖2c-d），Zn2?僅參與副反應生成Zn?(OH)?V?O?等產物。

3. pH動態解析：調控電解液pH（4.3→1.0），發現低pH加劇材料溶解，驗證H?嵌入誘導的局部堿性環境是容量衰減根源。

實驗結果與分析

1. 容量衰減機制：

商用V?O?在2 M ZnSO?中循環后容量損失達71.7%，EQCM-D顯示其質量持續下降（圖1d），歸因于H?嵌入后OH?積累引發的V?O?溶解（反應式：V?O? + 4OH? → 2VO?(OH)?? + H?O）。

2. 納米片改性效果：

VOP電極通過PEDOT插層抑制OH?聚集，循環2000次后容量保持率高達98.2%（圖1l），質量變化可逆性顯著提升（圖2a-b）。

3. 充電機制的理論計算：

理論計算顯示H?嵌入能（0.13 eV）遠低于Zn2?（0.48 eV），且EQCM-D數據證實H?貢獻超90%電荷存儲（圖2c）。

結論與展望

本研究通過EQCM-D技術首  -  次明確H?主導的嵌入機制是釩基正極容量衰減的核心因素，并提出納米片改性策略有效抑制溶解問題。該成果為高性能水系鋅離子電池設計提供了新思路，未來可拓展至其他質子敏感型電極材料的優化開發。

基金支持

國家自然科學基金（22225801、22178217、W2441009）。

原文鏈接

htt ps: //doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00901